Электропроводность проводниковых материалов Электропроводность твёрдых проводников.

Металлы и сплавы являются кристаллическими телами. Кристаллическое строение характеризуется закономерным (упорядоченным) расположением атомов в пространстве, связанных с соседними при помощи валентных электронов, которые могут перемещать. Если соединить атомы линиями, то получиться пространственная кристаллическая решётка.

Э лектроны в металле, при отсутствии внешнего электрического поля, совершают хаотическое движение, а ионы в узлах кристаллической решётки совершают тепловые колебания. Под действием внешнего электрического поля электроны приобретают направленное движение, причём энергия, которую электрическое поле затрачивает на перемещение электронов, переходит в запас самих электронов. Когда на пути электронов оказывается ион, происходит столкновение, это и есть сопротивление проводника. Во время столкновений электроны отдают энергию ионам и начинают новый разбег и т.д. Ион, получив от электрона энергию, начинает колебаться с большей амплитудой, поэтому увеличивается температура проводника.

Удельная проводимость металлов и сплавов

где q – заряд электрона;

n – число электронов в единице объёма;

µ – подвижность электрона;

λ – средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решётки;

m – масса электрона;

υ_т – средняя скорость теплового движения свободного электрона.

Факторы, влияющие на электропроводность твёрдых проводников.

1. При наличии примесей и дефектов кристаллической решётки сопротивление проводника увеличивается.

2. При деформации металла в холодном состоянии (в процессе протяжки или волочения) искажается кристаллическая решётка, и сопротивление проводника увеличивается. Устранить это явления можно с помощью отжига, в процессе которого металл сначала нагревают до высокой температуры, а затем медленно охлаждают. В результате происходит восстановление структуры.

3. При нагревании металла, энергия передаётся ионам в узлах кристаллической решётки, получив энергию, ионы начинают колебаться с большей амплитудой, что ведёт к увеличению количества столкновений электронов и ионов, и сопротивление проводника увеличивается.

4. При воздействии магнитного поля на проводник происходит искривление траектории движения электронов, и электропроводность проводника изменяется.

Проводниковые материалы высокой проводимости

Это металлы и сплавы, имеющие при нормальных условиях удельное электрическое сопротивление ρ≤0,05 мкОм∙м, а так же обладают достаточной прочностью и пластичностью, коррозийной стойкостью, высокой износостойкостью (не всегда) и хорошей свариваемостью и паяемостью для получения надёжных соединений.

1. Серебро (Ag). Металл белого цвета, один из наиболее дефицитных металлов (содержание в земной коре 7∙10^-6 %).

Свойства:

- высока пластичность (получение фольги и проволоки диаметром 0,01 мм);

- невысокие механические характеристики (σ_р=150-200 МПа);

- обладает минимальным удельным сопротивлением (ρ=0,016 мкОм∙м);

- не окисляется на воздухе при комнатной температуре (интенсивное окисление при 200 ⁰С);

- пониженная химическая стойкость (диффундирует в металл, на который нанесён);

- очень дорогой.

Применение: контакты, электроды конденсаторов, радиочастотные кабели.

2. Медь (Cu). Металл красного цвета, очень дефицитный (содержание в земной коре 4,7∙10^-3 %).

Свойства:

- хорошая пластичность (легко прокатывается в листы, ленты и проволоку малого диаметра);

- достаточно высокая механическая прочность (σ_р=200-400 МПа);

- малое удельное сопротивление (ρ=0,017 мкОм∙м);

- достаточно устойчива к коррозии в нормальных атмосферных условиях, на поверхности образуется зелёная плёнка основного оксида CuO (интенсивное окисление при 225 ⁰С);

- хорошая способность к пайке и сварке;

- дорогой металл.

Применение: проволока, обмоточные и монтажные провода, токоведущие жилы кабелей, экранировка кабелей связи и радиочастотных кабелей, шины, коллекторные пластины электрических машин.

3. Алюминий (Al). Металл серебристо-белого цвет, среди проводниковых наиболее распространённый в природе (содержание в земной коре 7,5 %).

Свойства:

- не большая механическая прочность (σ_р=90-147 МПа);

- малое удельное сопротивление (ρ=0,028 мкОм∙м);

- высокая коррозийная стойкость, на воздухе легко окисляется, покрываясь прочной оксидной плёнкой Al₂O₃, которая защищает от дельнейшего окисления (интенсивное окисление при 300 ⁰С);

- невозможность пайки из-за оксидной плёнки, которая создаёт большое переходное сопротивление, применяют специальные припои и паяльники (ультразвуковые) или горячая и холодная сварка (пластическое обжатие проводов в месте их контакта);

- гальванические пары, в месте контакта с проводниками из других металлов и повышенной влажности (электрохимическая коррозия - выражается в переносе металла с одной поверхности на другую и разрушении при этом контактной поверхности).

Применение: токоведущие жилы обмоточных, монтажных, установочных поводов и кабелей, неизолированные провода для воздушных линий электропередач, шины.

4. Железо (Fe). Металл серебристо-белого цвета, распространенный в природе, ступает только алюминию.

Свойства:

- хорошая пластичность;

- высокая механическая прочность;

- более высокое удельное сопротивление (ρ=0,1 мкОм∙м);

- малая стойкость к коррозии при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности;

- обладает магнитными свойствами.

Применение: сталь (сплав Fe и С‹2,14%) как конструкционный материал, ЛЭП небольшой мощности, шины, рельсы (трамвая и метро), сердечники биметаллических проводов, сердечники и магнитопроводы электрических машин и аппаратов.